将二维(2D)石墨烯片分散到三维材料矩阵中，是一种很有前途的方法，可以获得大量单个石墨烯片特殊的力学和电学性能，方便于宏观应用。然而，由于石墨烯片在3D结构中的分布和取向不受控制，石墨烯-基体键合能力弱，载荷传递能力差，这在很大程度上受到了限制。
近日，来自清华大学等单位的研究者，提出了一种之前未曾报道的方法，将有序的二维石墨烯阵列嵌入陶瓷基体中，将脆性陶瓷的灾难性断裂破坏模式转变为稳定的裂纹扩展行为，使机械韧性提高250-500%。相关论文以题为“Embedding two-dimensional graphene array in ceramic matrix”发表在Science Advances上。
论文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/39/eabb1338
在过去的十年里，石墨烯的发现激发了全世界对其独特性质的兴趣。尽管石墨烯具有优异的力学性能和导电性，但其更大应用的研究仍在进行中。一个很有前途的主要方向是用石墨烯作为内部填充剂来制造复合材料；石墨烯层在空间上是孤立的，可能保持其二维状态，因此可以批量获得石墨烯层的惊人特性。同时，复合材料通过石墨烯填料进行机械强化，并具有热、电、屏蔽等多种功能。
然而，石墨烯增强复合材料的研究尚未取得实质性进展，主要有以下三个原因。(一)石墨烯的价格仍然过高，工业应用难以承受；(二)复合材料中石墨烯层的可控分散和定向极为困难，二维石墨烯之间存在较强的范德华力，导致基体团聚；(三)石墨烯填充剂与基体之间缺乏粘结，导致载荷传递效率低下，导致力学性能较差。
虽然关于聚合物和金属基质复合材料的报道很多，但由于工艺上的巨大挑战，陶瓷基含石墨烯填料的复合材料在几年前才刚起步。如果石墨烯层能够很好地分散和定向，那么具有高熔点的绝缘、刚性和化学惰性陶瓷可以作为石墨烯填充剂的独特基体，使其在各种恶劣环境下达到二维状态并最大限度地发挥其内在性能。
本文中，研究者提出了一种将二维石墨烯阵列均匀分散组装到陶瓷基体中的通用而精细的策略。与传统工艺完全不同的是，研究者并不首先制造石墨烯，而是从一种普通的、廉价的工业原料——可膨胀石墨开始。通过在微波炉中处理，石墨烯层之间的层间空间被扩大。在有机偶联剂的作用下，液态陶瓷前驱体可以在真空条件下插入层间空间。通过这种方式，陶瓷层和石墨烯层可以在分子水平上交替混合和堆积，最终形成分散均匀、排列有序的石墨烯层的复合材料。偶联剂的使用使基体与填料之间的结合更加紧密，有效地传递了载荷，提高了力学性能。在这里，脆性陶瓷的突变断裂失效模式转变为稳定裂纹扩展行为，机械韧性提高250~500%。在块体陶瓷中获得了前所未有的低干滑动摩擦系数0.06，这主要是由于有序的2D石墨烯阵列抑制了微裂纹的扩展。这些独特的、低成本的二维石墨烯阵列/陶瓷复合材料具有优异的结构和功能性能，使其可以在的恶劣环境中应用。
图1 一种合成单层石墨烯/陶瓷复合材料的简便方法。
图2 FLG/陶瓷复合材料的形态和结构表征。
图3 FLG/陶瓷复合材料的摩擦学性能。
图4 FLG/陶瓷复合材料的力学性能及增韧机理。
图5 FLG/陶瓷复合材料的EMI屏蔽效能(SE)。
综上所述，研究者提出了一种之前未报道的策略，即通过将陶瓷前驱体化学插层到低成本可膨胀石墨中，将二维石墨烯平行排列到陶瓷基体中。有序的2D石墨烯阵列将脆性陶瓷的灾难性断裂模式转变为稳定的传播行为，机械韧性提高250 -500%，机械强度提高30%-50%。本文展示了一种前所未有的方法，通过将二维石墨烯阵列嵌入绝缘、硬化和化学惰性陶瓷基体中，来获得大量单个石墨烯层的先进性能，这种方法在恶劣环境下的应用尤为重要。(文：水生）
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